袁匯江，張學夢

(濰坊科技學院，山東 壽光 262700)

引言

為了應對能源枯竭，人們對太陽能以及核能、風能、地熱能、水力能、生物能等可持續(xù)能源的利用日益迫切。據統計［1］，20 世紀90 年代，太陽能發(fā)電每年增長達20%。太陽能作為新能源的重要組成部分，因其具有取之不盡、用之不竭、無污染等特點，在開發(fā)利用中蘊藏著巨大的市場前景，越來越受到人們的青睞。［2］本文所介紹的太陽能跟蹤系統則是光電轉換的一種。

1 現有光伏跟蹤裝置工作性能分析

光伏跟蹤機械系統按照旋轉軸數的不同跟蹤系統可以分為單軸跟蹤系統和雙軸跟蹤系統。單軸太陽能跟蹤系統比固定式系統的功率輸出可以提高25%，而雙軸太陽能跟蹤系統比固定式系統功率輸出可以提高4l%。［3］光伏跟蹤系統的成本關系到制造成本、獲得發(fā)電量以及結構設計上的因素，因此現在的太陽能跟蹤系統一般采用雙軸跟蹤系統。

雙軸跟蹤一般包括兩種方式，分別為高度-方位角式全跟蹤和極軸式全跟蹤。本文基于高度-方位角式跟蹤方式，在給定發(fā)電模組及系統設計參數的基礎上，對雙軸光伏跟蹤機械系統的設計進行研究。

2 光伏跟蹤機械系統總體設計

2.1 發(fā)電模組及系統設計參數(見表1)

表1 發(fā)電模組及系統設計參數

2.2 確定發(fā)電模組塊數

設所需發(fā)電模組的數目為SL，則理論上需要發(fā)電模組的數目SL為:

考慮到發(fā)電模組受風載的影響，應布置模組使其關于主梁和方位軸對稱，選擇發(fā)電模組的數目為10，則系統的理論發(fā)電量為:Wd=Wi·η·(L·W·8)·SL=0.85 ×0.2 ×(0.96 ×0.24 ×8)×10=3.1334(kW)

2.3 確定布置方式

根據發(fā)電模組的長度和寬度，考慮布置的對稱性，選擇寬長比接近0.618 的布置方式。

在進行風載計算時取總發(fā)電模組的長度為5 米，寬度為4 米;而當跟蹤裝置的高度角為0°時，總發(fā)電模組最下端離地面的距離至少為1 米，因此取圖布置方式(2)中主梁至地面的距離L=3.5 米(見圖1)。

圖1 布置方式

2.4 跟蹤系統總體設計

(1)方位角跟蹤機構:本設計初步確定選擇步進電機+行星減速機+齒輪副傳動實現方位角的跟蹤。

(2)高度角跟蹤機構:本設計初步確定選擇步進電機+行星減速機+齒輪副傳動實現高度角的跟蹤。

(3)光伏組件支架:選擇標準件槽鋼用于支承光伏組件，選擇圓管用于支承和仰俯軸連接，且同時支承光伏組件及其槽鋼。

(4)支承立柱:本設計初步選擇為圓管支承方位角跟蹤機構的回轉裝置。

3 光伏跟蹤機械系統風載計算

3.1 風速確定

通過對近20 年的風速記錄進行分析計算，得到以下計算結果(見表2)。其中ˉX 為風速的平均值，σ為風速的根方差值，ψ 為保證系數，P0為不超過設計最大風速的概率。

表2 近20 年風速記錄分析結果表

由表2 可以看出，20 年出現的最大風速為17.0132m/s;20 年內的極大風速為26.6m/s，平均風速為3.22m/s。本文在計算所需要的靜力和靜力距時，取設計風速和破壞風速分別為17 m/s 和27 m/s。

3.2 風載計算公式

平均風產生的阻力Fx、升力Fy、側力Fz、滾轉力矩Mx、方位力矩My 和仰俯力矩Mz 的計算公式如下:

式中，Cx、Cy、Cz、Cmx、Cmy、Cmz 分別為阻力系數、升力系數、側力系數、翻滾力矩系數、方位力矩系數和仰俯力矩系數。

3.3 系數的選擇

3.3.1 仰俯力矩系數的確定

上面公式中的仰俯力矩系數在坐標系yoz 的軸oz 位于總發(fā)電模組的底部時成立，而在本設計中，平板中間橫軸的仰俯力矩系數Cmzz 為:

3.3.2 風載系數的選擇

根據參考文獻［4］可知，當高度角為0°時，方位角變化時，阻力系數Cx、側力系數Cz、方位力矩系數Cmy 和仰俯力矩系數Cmzd 如圖2 示。

圖2 風載系數隨方位角的變化

根據公式(7)計算仰俯力矩系數Cmzz 如圖3 所示。

3.3.3 阻力的計算

根據參考文獻［4］可知，當方位角和高度角都為0°時，系統對風具有最大的阻力。

圖3 仰俯力矩系數隨方位角的變化

3.3.4 傾覆力矩的計算

在風的作用下，跟蹤機構有傾倒的趨勢。根據已有資料，當方位角為0°時，風對跟蹤機構具有最大的傾覆力矩。MT=Fz·L+Mz

3.3.5 回轉力矩的計算

當高度角為0°，方位角變化時，阻力Fx、側力Fz和方位力矩My，都會產生回轉力矩，但阻力和側力的貢獻很小，這里直接以方位力矩My 簡單計算回轉力矩Mh:

3.3.6 俯仰力矩的計算

總發(fā)電模組關于主梁對稱布置，方位角為0°，高度角變化時，阻力和升力對O 點不產生力矩，則俯仰力矩Mz 為:

4 跟蹤機構動力設計與結構設計

4.1 方位角跟蹤機構動力設計

高度角跟蹤機構、發(fā)電模組、發(fā)電模組支承支架都安裝在方位角跟蹤機構之上，隨著方位角跟蹤機構的轉動部分一起轉動。故估算系統相對方位旋轉軸的轉動慣量為Ixy=2.9590 ×109(Kg·mm2)。

驅動機構選擇為步進電機+行星減速器+齒輪副傳動。由于跟蹤系統負載慣量大，步進電機擬選擇為加減速運行模式，如圖4 所示。

由于采用加減速運行模式，必要轉矩包括加風載和加減速轉距，系統負載轉矩主要包括系統傳動間的摩擦及外界風載等的影響。

圖4 步進電機加減速運行模式

圖5 步進電機轉速轉矩曲線

圖5 為步進電機轉速轉矩曲線，由此得到步進電機的工作狀態(tài)Zt=2.5%，遠小于50%，且由于慣性比≤10，所設計符合要求。

最后通過以上設計過程計算出行星減速器輸出扭矩，選擇減速比為i2=16，額定輸出扭矩Tx=235 N·m 的PX115 行星減速器。

4.2 高度角跟蹤機構動力設計

高度角跟蹤機構與方位角跟蹤機構在設計原理上是一樣的，驅動機構選擇為步進電機+行星減速器+齒輪副傳動。步進電機仍然選擇加減速運行模式，如圖4 所示。不同的地方在于高度角齒輪副傳動中傳動比i3=10。

按照方位角跟蹤機構動力設計過程對高度角跟蹤機構進行動力設計。最后通過以上設計過程計算出行星減速器輸出扭矩，同樣選擇減速比為i2=16，額定輸出扭矩Tx=235 N·m 的PX115 行星減速器。

4.3 光伏發(fā)電模組支承支架設計

考慮到圓管便于加工，具有較大的截面慣性距，因此總發(fā)電模組支承支架的主梁選擇為圓管。當總發(fā)電模組及支架總重量為1500Kg，D=0.146m，h=0.012m 時，計算得A 點的轉角為0.237°，此時的撓度為8.53mm。A 點的支反力為7.5KN，彎距為10.3 KN·m。

得到初始設計的圓管直徑和厚度后，對其進行彎曲應力校核和剪切應力校核。經計算校核，選擇的20 號鋼制圓管滿足安全條件，設計合理。

4.4 仰俯運動仰俯軸設計

該軸無特殊要求，因而選用調質處理的45 鋼。按照扭轉強度條件估算軸徑，并考慮到軸上鍵槽等影響因素，因而將軸的直徑增大5%并圓整，計算并確定直徑為60mm。根據軸上主要零件的布置和軸的初步估算定出的軸徑，進行軸的結構設計。

4.5 方位角齒輪傳動設計

根據已知條件，大、小齒輪均可選用調質處理的45 鋼，硬度為229-286HBS，并可查得彎曲疲勞極限應力σFlim=270MPa，接觸疲勞極限應力σHlim=605MPa 。

4.5.1 按輪齒彎曲疲勞強度設計

4.5.2 確定許用彎曲應力

齒輪的許用彎曲應力計算公式為

帶入數據計算得:σFP=506.25MPa

4.5.3 確定轉矩

4.5.4 初步選定齒輪參數

取z1=20，傳動比i=12，則取齒寬系數ψd=0.5，載荷系數K=KAKVKβKα，通?？山频厝=1.3-1.7，此處取k=1.5。

4.5.5 確定復合齒形系數

YFS1=4.68

4.5.6 確定模數m

4.5.7 計算幾何尺寸

結束語

本文對雙軸光伏跟蹤機械系統的設計及運行進行了仿真，確定了總發(fā)電模組的個數和布置方式，分析并計算了總發(fā)電模組的風載。在此基礎上，對雙軸光伏跟蹤機械系統進行了方位角和高度角跟蹤機構動力設計，系統主要零部件結構設計，并可基于Pro/E 進行系統運動仿真。

在考慮成本的情況下，雙軸光伏跟蹤機械系統進行設計時，應詳細了解市場上成熟的步進電機，減速器的性能及其價格，在充分減低成本的情況下進行方位角和高度角跟蹤機構動力設計。

［1］王炳忠.太陽能——未來能源之星［M］.北京:高教出版社，1990:20-21.

［2］陳建彬，沈惠平，等.太陽能光伏發(fā)電二軸跟蹤機構的研究現狀及發(fā)展趨勢［J］.機械設計與制造，2010，(8):264-266.

［3］SALAH ABDALLAH.Two axes sun-tracking system with PLC control［J］.Energy conver sion and management，2004，(45):1931-1939.

［4］張旭東，何海鴻，陳明凱，等.太陽能光伏發(fā)電系統的雙軸跟蹤器設計［J］.科技促進發(fā)展，2008，(11):10-11.